ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УТВЕРЖДАЮ

Зав.кафедрой ММС

________________В.Е.Панин

«05» сентября 2012г.

Изучение диаграммы железо-углерод Методические указания к лабораторной работе по дисциплине

«Общее материаловедение и технология материалов»

для студентов направления 150100 «Материаловедение и технологии

материалов»

Томск-2012г.

УДК 629

Лабораторный практикум: Метод, указ. по выполнению лаб. работы по курсу

"Общее материаловедение и технология материалов" для студентов

направления 150100 «Материаловедение и технологии материалов» - Томск:

Изд. ТПУ, 2012. - 12 с.

Составитель доцент О.Ю.Ваулина

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию

методическим семинаром кафедры ММС "05" сентября 2012г.

Зав. кафедрой

академик РАН__________________________В. Е. Панин

Томск 2012

I. Цель работы

Цель работы

1. Ознакомиться с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов и

изучить природу превращений в углеродистых сталях при медленном

непрерывном охлаждении.

2. Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии.

3. Изучить влияние содержания углерода на механические свойства медленно-

охлажденных сталей.

II. Основные положения

Диаграмма состояния — графическое изображение, показывающее

фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации

химических элементов в условиях равновесия.

Диаграмма железо-углерод, как ясно из названия, должна

распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом

химическое соединение – цементит Fe3C. Следовательно, компонентами данной

диаграммы можно считать железо и цементит.

Принципиально важным для железо-углеродистых сплавов является то,

что основной компонент - железо существует в двух аллотропических

модификациях: объемноцентрированного куба (Fe - ОЦК) и

гранецентрированного куба (Fe - ГЦК).

Обычно железо никогда не бывает абсолютно чистым, оно всегда

содержит примеси. В настоящее время можно получить железо высокой

чистоты, минуя доменную плавку, - железо прямого восстановления (примеси

0, 01%), но чаще используют техническое железо (армко железо), которое

содержит 99,8-99,9% железа и 0,1-0,2%примесей. Железо имеет высокую

температуру плавления – 1539o С 5

o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях.

Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392

o С.

При температуре ниже 911o С существует Fe с объемно-центрированной

кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым

является Fe с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С

железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Fe

или высокотемпературное Fe. Высокотемпературная модификация Fe не

представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше –

парамагнитно (немагнитно). Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и

прочностью (предел прочности – , предел текучести – )

и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение –

, а относительное сужение – ). Свойства могут изменяться в

некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого

проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей

из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами –

растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Цементит химическое соединение железа с углеродом (карбид

железа Fe3C), содержит 6,67 % углерода. Температура плавления цементита

точно не установлена (1250-1550o С). При низких температурах цементит слабо

ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217oС.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает

стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие

свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

В зависимости от содержания углерода железо-углеродистые сплавы

делятся на два класса: стали и чугуны.

На диаграмме состояния железо–углерод (рис. 1) сплавы, относящиеся к

сталям, расположены в интервале концентраций углерода до 2,14 %, т.е. левее

точки Е. Чугуны имеют в своем составе от 2,14 до 6,67% углерода. При

Ф+Ц3

727С

1147С

911С

1539С

температурах ниже 727 С все отожженные углеродистые стали состоят из двух

фаз феррита и цементита.

В зависимости от содержания углерода и структуры сталей различают:

- техническое железо - сплавы, содержащие до 0,02% углерода.

- доэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода,

- эвтектоидные стали - сплавы, содержащие 0,8% углерода,

-заэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14% углерода.

Рис. 1. Диаграмма железо-углерод

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза,

феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и

углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD – от 0 до 6.67 %С.

В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с

образованием однородной жидкой фазы.

2. Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы

железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они

являются твердыми растворами внедрения, т.е. атомы железа занимают узлы

пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в -железо. В феррите

сохраняется кристаллическая решетка -железа – объемно-центрированный

куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу

QPG, имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную –

0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,025 % при

температуре 727o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

Свойства феррита близки к свойствам железа. Твердость феррита около

800–1000 МПа, предел прочности σв 250 МПа; σт 120 МПа, относительное

удлинение (δ ) до 50 %, а поперечное сужение φ -до 80 %. До температуры 768°

С феррит ферромагнитен, выше – парамагнитен.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый

раствор углерода в γ-железе с ГЦК-решеткой, который называется аустенитом.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода:

минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14

% при температуре 1147o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 1700 – 2000 МПа (200…250 НВ), σв 50 –

80МПа, пластичен (относительное удлинение – ). При растворении в

аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные

границы существования.

3. Цементит – характеристика дана выше.

В результате фазовых превращений в твердом состоянии при малых

скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит,

феррит, вторичный цементит Ц2 и третичный цементит Ц3. Влияние на

механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и

расположении этих выделений. Ц1 выделяется из жидкой фазы в виде крупных

пластинчатых кристаллов. Ц2 выделяется из аустенита и располагается в виде

сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Ц3

выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ

ферритных зерен.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

Все линии диаграммы можно разделить на следующие группы: линии

ликвидус – начало затвердения при охлаждении или конец плавления при

нагревании; линии солидус – конец затвердевания при охлаждении и начало

плавления при нагревании; линии превращения в твердом состоянии. Из них

особо выделяются горизонтальные линии (параллельные оси составов).

В табл.1 приведены основные характеристики линий диаграммы.

Таблица 1-Характеристики линий диаграммы

Индекс

линий

Температурный

интервал, °С

Интервал

концентраций

(% углерода)

Основная характеристика линии

Линия ликвидуса

АС

СD

1539° – 1147°

1147° 1600°

0 – 4,3

4,3 – 6,67

Линия ликвидус (начало затвердевания

А).

Линия ликвидус (начало затвердевания

Ц1)

Линия солидуса

АЕ 1539° – 1147° 0 – 2,14 Конец затвердевания А

ЕСF 1147° 2,14 – 6,67 Линия эвтектического равновесия

Линии превращения в твердом состоянии

SE 727° – 1147° 0,8 – 2,14 Линия ограниченной растворимости

углерода в А. Начало выделения

вторичного цементита.

GS 911° – 727° 0 – 0,8 Начало аллотропического превращения

А в Ф

GP 911° – 727° 0 – 0,025 Конец аллотропического превращения

(А в Ф)

PSK 727° 0 ,025 – 6,67 Линия эвтектоидного равновесия А,

Ф, Ц

PQ 727° – комн. 0,025 – 0,006 Линия выделения ЦIII

Таблица 2- Концентрация углерода в характерных точках диаграммы

Индекс Содержание Температура, °С Характеристика

точки углерода, %

А 0 1539 Точка затвердевания жидкого железа

С 4,3 1147 Состав жидкой фазы при

эвтектическом равновесии с А и Ц

Е 2,14 1147 Предельное содержание углерода в

аустените. Состав А при эвтектическом

равновесии с жидкой фазой и Ц

S 0,8 727 Состав А при эвтектоидном

равновесии с Ф и Ц

Р 0,025 727 Предельное содержание углерода в Ф.

Состав Ф при эвтектоидном равновесии

с А и Ц

Q 0,006 Комнатная Предельное содержание углерода в Ф

при комнатной температуре

Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по

имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

При температуре ниже 727o С в состав ледебурита входят Ц1 и П.

По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место

магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное

превращение, заключающееся в том, что А, содержащий 0,8 % углерода,

превращается в эвтектоидную смесь Ф и Ц2:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но

протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П),

содержит 0,8 % углерода (П=Ц2+Ф).

Таблица 3-Линии трехфазного равновесия

Индекс

линии

Температура

равновесия, oС

Фазы,

находящиеся в

равновесии

Название

превращения

ECF 1147 Ж+А+Ц эвтектическое

РSK 727 А+Ф+Ц эвтектоидное

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе

наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и

пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные

превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки,

имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):

А1 – линия PSK (727 0С) – превращение П А;

A2 – линия MO (768 0С, т. Кюри) – магнитные превращения;

A3 – линия GOS ( переменная температура, зависящая от содержания

углерода в сплаве) – превращение Ф А;

A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания

углерода в сплаве) – превращение ;

Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания

углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда

обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении совершаются различные

превращения, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные

обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е Ас1, при охлаждении – букву

r, т.е. Аr1.

Микроструктура фаз диаграммы железо-углерод.

При охлаждении доэвтектоидной стали из аустенита вначале выделяется

феррит. Размер Ф-зерен в значительной степени зависит от скорости

охлаждения А. При рассмотрении в микроскоп Ф наблюдается в виде светлых

зерен неодинаковой яркости (Приложение, рис. 1). По мере увеличения

концентрации углерода в доэвтектоидной стали количество зерен Ф убывает

(Приложение, рис. 2), а количество П увеличивается.

В сплавах, содержащих 0,5-0,75 % C зерна Ф располагаются по

границам зерен другой структурной составляющей П в виде разорванной

сетки (Приложение, рис. 3).

В доэвтектоидной стали П в большинстве случаев имеет пластинчатое

строение. Темные пластинки, видимые в П, представляют собой тени,

отбрасываемые на участки Ф выступающими после травления участка Ц.

Форма выделения перлита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях

определяется условиями выполнения отжига. Форма и размер частиц

цементита в перлите существенно влияют на свойства стали. Так, например,

зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем

пластинчатый. Твердость зернистого перлита 160-220 НВ, а пластинчатого

200-250 НВ. С уменьшением размера цементитных частиц твердость и

прочность перлита возрастает. Форма цементитных частиц влияет на

обрабатываемость стали резанием. Доэвтектоидные стали хорошо

обрабатываются резанием, если имеют структуру пластинчатого перлита, а

эвтектоидные и заэвтектоидные зернистого.

В заэвтектоидных сталях возможно выделение Ц2 в виде сетки по

границам зерен П (Приложение, рис. 5). Это происходит в результате

окончания горячей обработки при излишне высокой температуре и является

значительным дефектом заэвтектоидной стали, ухудшает ее прочность и

вязкость. Еще одной, но более редко встречающейся формой выделения Ц,

также сильно ухудшающей механические свойства, является образование его в

виде игл (вследствие значительного перегрева).

Итак, можно выделить четыре типа структур сталей.

Первый тип структуры Ф+Ц3 наблюдается в низкоуглеродистых

сталях, содержащих до 0,02 % С (т. Р). Такие стали называются техническим

железом.

Второй тип структуры Ф+П наблюдается в доэвтектоидных сталях,

содержащих от 0,02 до 0,8 % С (т. S). Чем больше в доэвтектоидной стали

углерода, тем больше в ней перлита.

Третий тип структуры П наблюдается в эвтектоидной стали,

содержащей 0,8 % С.

Четвертый тип структуры П+Ц2 наблюдается в заэвтектоидной стали

с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % (т. Е).

Требования к отчету

Отчет должен включать следующие разделы:

Цель работы.

Основные положения по теме работы.

Зарисовать диаграмму состояния железо-углерод, микроструктуру всех

фаз.

Выводы.

К защите лабораторной работы допускаются студенты, предъявившие

полностью оформленный отчет, содержащим выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Какое содержание углерода в эвтектоидной стали?

2. Какую кристаллическую решетку имеют - и -железо?

3. Что такое аустенит, феррит, перлит, цементит?

4. Укажите название областей на стальной части диаграммы.

5. Какие процессы протекают в стали при ее охлаждении в области 727 С?

6. Покажите линии ликвидус и солидус на Вашей диаграмме. Что они

обозначают?

7. Что показывает фазовый состав сплава?

8. Опишите структуру сплава.

9. Какое максимальное содержание углерода в аустените?

10. Какое максимальное содержание углерода в феррите?

11. Как влияет содержание углерода на свойства стали?

ПРИЛОЖЕНИЕ